Описана история совершенствования эталона единицы силы света в России: от создания первого Государственного светового эталона в 1925 г. в Главной палате мер и весов (сегодня – Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева) под руководством П. И. Тиходеева до его современной актуальной версии – Государственного первичного эталона единиц силы света и светового потока ГЭТ 5-2024. В результате последней модернизации в состав ГЭТ 5-2024 включены разработанные и изготовленные во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений новые эталонные установки. С помощью ГЭТ 5-2024 единица силы света – кандела – впервые в мировой практике воспроизводится с использованием высокотемпературной модели абсолютно чёрного тела с фиксированной термодинамической температурой 2856,67 К, соответствующей реперной точке фазового перехода плавления соединения молибден-углерод δ(MoC)-C. За счёт этого достигнута расширенная неопределённость воспроизведения единицы силы света, не превышающая 0,2 % на уровне 388,52 кд при коэффициенте охвата 2. Использование модели абсолютно чёрного тела с регулируемой температурой позволило добиться воспроизведения единицы силы света в диапазоне 1–20000 кд с расширенной неопределённостью воспроизведения не более 0,24 % при коэффициенте охвата 2. Воспроизведение единицы полного светового потокалюмена – осуществляется гониометрическим методом с использованием специально разработанного гониофотометра. Диапазон воспроизведения светового потока составил 1–3500 лм с расширенной неопределённостью воспроизведения 0,22–0,28 % при коэффициенте охвата 2. Таким образом, в ГЭТ 5-2024 расширены диапазоны воспроизведения единиц силы света и светового потока, а также повышена точность их воспроизведения. ГЭТ 5-2024 позволяет воспроизводить единицу силы света в соответствии с рекомендациями Международного комитета мер и весов, что обеспечивает международную совместимость результатов научных и прикладных измерений, их точность, а также способствует повышению качества промышленной продукции, повышению транспортной безопасности и т. д.

Рассмотрено условие применимости «Руководства по выражению неопределённости измерения» – перевода на русский язык в 1999 г. международного документа по метрологии. Данное руководство посвящено новому на тот момент для отечественной метрологии подходу к оцениванию точности решения измерительных задач методом косвенного измерения. Условие применимости «Руководства по выражению неопределённости измерения» требует пренебрежимой малости любых неопределённостей, обусловленных неполнотой определения искомых в задаче величин по сравнению с требуемой точностью получаемого результата. Однако в переводе указано, что «это не всегда практично». В Международном словаре терминов метрологии VIM-3 для неопределённостей такого рода введён термин defi nition uncertainty и указано на то, что в «Руководстве по выражению неопределённости измерения» дефинициальная неопределённость рассматривается как пренебрежимо малая по сравнению с другими составляющими неопределённости измерений. На практике многочисленны случаи использования «Руководства по выражению неопределённости измерения» без проверки математических моделей на неадекватность. Ситуацию усугубляет то, что данное руководство не содержит определения количественного показателя неполноты математической модели объекта измерений, хотя необходимость статистической проверки моделей на неадекватность и упомянута. Нарушение условия применимости «Руководства по выражению неопределённости измерения» может быть устранено схемой перекрёстного экзамена.

Практическое применение фильтра Калмана во многих технических приложениях приводит к расходимости процесса оценивания вектора состояния. Существующие методы уменьшения ошибок оценивания вектора состояния и повышения устойчивости алгоритмов фильтрации ориентированы лишь на оценку состояния конкретных динамических систем. Анализ возможности обобщённого использования этих алгоритмов затруднён нелинейной эволюцией апостериорной ковариационной матрицы, непосредственно влияющей на сходимость ошибки оценивания. Для решения задачи повышения точности и устойчивости процесса фильтрации в статье предложен алгоритм стохастического оценивания, в котором вектор оценки на выходе фильтра Калмана используется в качестве стохастического наблюдателя вектора состояния динамической системы. Подобное использование рассмотренного алгоритма приводит к адаптивному изменению интенсивности помехи измерения в новом контуре фильтрации. Данное изменение интенсивности помехи измерения обеспечивает уменьшение частоты и амплитуды колебаний элементов апостериорной ковариационной матрицы и существенно повышает точность текущего оценивания. Приведены результаты численного моделирования стохастического оценивания на основе рассмотренного фильтра Калмана и доказана эффективность предложенного алгоритма на примере оценки навигационных параметров движения беспилотного летательного аппарата. Предложенный алгоритм стохастического оценивания можно использовать для обработки широкого класса задач, например в навигации, сейсмологии, космических исследованиях и др.

Рассмотрены подходы к повышению объёмной точности при проектировании и эксплуатации координатных средств измерений. В настоящее время существует много методов оценивания и коррекции объёмных погрешностей, разработанных для технологических и измерительных машин с конкретными кинематическими схемами, но нет единого метода, пригодного для различных координатных средств измерений. Для обеспечения единого методического подхода к оцениванию и коррекции объёмных погрешностей технологических и измерительных машин с различными кинематическими схемами предложено использовать понятия дифференциальной геометрии. Разработан метод оценивания и коррекции геометрических погрешностей двумерных координатных средств измерений. Метод основан на понятиях дифференциальной геометрии; геометрические погрешности понимаются как расхождение между координатами, зафиксированными отсчётной системой средства измерений (цифровыми координатами), и действительными координатами той же точки, причём между указанными наборами координат существует преобразование, описываемое с помощью матрицы Якоби. Предложенный метод включает определение элементов матрицы Якоби по результатам измерений погрешностей позиционирования, отклонений от прямолинейности и угловых отклонений, отклонений от взаимной перпендикулярности между осями, выполненных с помощью лазерного интерферометра XL-80 (Renishaw, Великобритания). При коррекции погрешностей разработанным методом применены численные дифференцирование и интегрирование, а также фильтр скользящего среднего для минимизации случайного шума. Метод экспериментально проверен на компьютеризированном универсальном измерительном микроскопе (УИМ-21). Экспериментально установлено значительное уменьшение разброса результатов измерений после коррекции, что подтверждает уменьшение геометрической погрешности. Использование разработанного метода коррекции позволит сократить время и затраты на настройку координатных средств измерений, адаптировать вычислительные процедуры и созданное авторами в ходе настоящего исследования программное обеспечение к различным конфигурациям координатных средств измерений. Результаты проведённых теоретических и экспериментальных исследований не только обеспечивают повышение точности измерения геометрических параметров в плоскости, но и позволяют распространить описанный метод оценивания и коррекции погрешностей на более сложные многокоординатные средства измерений.

В связи с развитием современных оптоэлектронных технологий и их внедрением в различные отрасли медицины актуально обеспечение эффективного функционирования устройств неинвазивной спектрофотометрической диагностики физиологических показателей в условиях влияния таких специфических внешних факторов, как световой шум естественных и искусственных источников света. Представлена математическая модель светового шума фиксированной частоты и показано, что такой шум по отношению к полезному фотоплетизмографическому сигналу канала пульсового оксиметра является аддитивной помехой. Показано, что при использовании фотоплетизмографических методов исследования параметров кислородного статуса интенсивность прошедшего сквозь биологическую ткань оптического излучения зависит от уровня насыщения артериальной крови кислородом. Разработана математическая модель фотоплетизмографического сигнала, позволяющая учитывать параметры пульсовой волны – частоты первой и второй гармоник артериальной пульсации крови, дыхательных сокращений. Уровень светового шума нормирован к уровню фотоплетизмографического сигнала с использованием отношения сигнал/шум. Установлено, что при отношении сигнал/шум, равном 10; 5; 1, соотношения постоянной и переменной составляющих фотоплетизмографического сигнала изменяются в среднем на 6,7; 11,4; 15,7 % соответственно по сравнению с отсутствием аддитивной помехи. Исследовано влияние светового шума различного уровня на оценку уровня фракционной сатурации крови и установлено, что при отношении сигнал/шум, равном 10; 5; 1, относительная погрешность данной оценки составляет соответственно 3,676; 6,115; 8,077 %. Проведён физический эксперимент с участием 30 испытуемых по определению влияния засветки на оценку уровня фракционной сатурации крови многоволновым пульсовым оксиметром. Экспериментальные данные подтвердили результаты модельных исследований для отношений сигнал/шум, равных 10 и 5. Полученные результаты можно использовать при проектировании и разработке устройств неинвазивной спектрофотометрической диагностики с целью повышения эффективности их функционирования в условиях дестабилизирующих факторов.

Рассмотрена важная практическая задача идентификации поля лазерного пучка в плоскостях расположения излучателя (плоскость излучателя) и средства измерений (плоскость измерений). Решение этой задачи позволит расширить информацию о параметрах лазерного пучка, необходимую при изготовлении и сертификации лазерных источников. Существующая единственная стандартизованная числовая характеристика – мера М 2 (ГОСТ Р ИСО 11146-1-2008 «Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков»), определяющая качество лазерного пучка, позволяет оценить степень сходства пространственного распределения интенсивности излучаемого пучка только с пространственным распределением интенсивности Гаусса в плоскости измерений. Разработана альтернативная мера сходства пространственного распределения амплитуды лазерного пучка с равномерным распределением амплитуды в плоскости излучателя и показано, что эта мера совпадает с аберрационным фактором, определяющим источник с наибольшей осевой силой света. Предложена мера сходства пространственного распределения интенсивности лазерного пучка с произвольно заданным распределением интенсивности в плоскости измерений. Обе меры универсальны, имеют более широкое применение чем мера М 2 , так как связаны с характеристикой однородности распределения поля, обобщённой площадью и обобщённым диаметром лазерного пучка, являющимися альтернативой диаметру пучка, определяемому по ГОСТ Р ИСО 11146-1-2008.

Разработана методика определения оптической прозрачности плёнок полиимида, используемых при изготовлении устройств гибкой электроники методом лазерной карбонизации. Информация об оптической прозрачности плёнок полиимида в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра позволяет выбрать оптимальный режим лазерной карбонизации. С применением источника калиброванного излучения и малогабаритных спектрометров высокого разрешения получены данные об интенсивности проходящего излучения сквозь плёнки полиимида различной толщины на нескольких тысячах длин волн в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра. Из полученного массива данных выбраны две рабочих длины волны твердотельных лазеров – 694,3 нм (рубиновый лазер) и 1064 нм (лазер на основе иттрий-алюминиевого граната с неодимом Nd:YAG). Построены зависимости коэффициентов пропускания плёнок полиимида толщиной 100, 200 и 300 мкм от этих длин волн. Показано, что аналогичные зависимости можно построить для лазеров всех типов, излучающих в указанных диапазонах спектра. Знание коэффициента пропускания полиимида на различных длинах волн поможет более точно исследовать и понять суть физико-химических процессов, происходящих в материале при воздействии на него лазерного излучения определённой длины волны. Предложенную методику определения оптической прозрачности плёнок полиимида можно применять для нахождения интенсивности пропускания любых полупрозрачных материалов, используемых в лазерной и других технологиях.

Рассмотрены недостатки преобразователей с гальванической изоляцией, передающих информацию через изолирующий барьер в цифровом или аналоговом виде, – высокая стоимость компонентов либо погрешность преобразования более 1 %. Такие преобразователи с гальванической изоляцией необходимы для безопасной эксплуатации оборудования, работающего при напряжениях более 50 В. Разработан гальванический разделитель аналоговых сигналов, передающий информацию в аналоговом виде через изолирующий барьер без её переноса (преобразования) в цифровой вид и имеющий погрешность преобразования 0,22 % при номинальном напряжении. Данный гальванический разделитель можно применять в составе таких измерительных устройств, как преобразователи, датчики, приёмопередатчики аналоговых сигналов без переноса информации в цифровую форму. Исследован способ передачи аналогового информационного сигнала в отсутствие электрической связи, позволяющий уменьшить погрешность и повысить помехоустойчивость преобразователя. Схема предложенного гальванического разделителя аналоговых сигналов основана на отрицательной обратной связи, контур которой проходит через модулятор, трансформатор и демодулятор на первичной стороне. Сигнал с выхода демодулятора поступает на один из двух входов усилителя ошибки. Усилитель ошибки подстраивает напряжения на обоих входах в строгом соответствии друг другу, за счёт чего напряжение на выходе демодулятора точно равняется входному напряжению, поступающему на другой вход усилителя ошибки. Второй демодулятор, идентичный первому, установлен на вторичной стороне. Использование двух демодуляторов позволило добиться точной передачи аналогового сигнала с первичной стороны на вторичную. Изготовлен и испытан лабораторный образец гальванического разделителя аналоговых сигналов, по результатам испытаний подтверждена целесообразность использования отрицательной обратной связи: относительная погрешность преобразования уменьшена в три раза по сравнению с устройствами без обратной связи. Относительная погрешность преобразования предложенного устройства во всём диапазоне входных напряжений составила не более 0,7 % и 0,22 % – при номинальном входном значении. Устройство можно использовать в составе измерительного оборудования, работающего при высоких (более 10 кВ) напряжениях.

Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения стремительно развивающихся областей, таких как электроника, радиовидение и системы безопасности. Расширение государственной эталонной базы в более высокочастотную область (диапазон частот 100–1000 ГГц) необходимо для успешного технологического освоения, проверки и сертификации приборов и измерительных средств, работающих в терагерцевом (миллиметровом) диапазоне частот. Частотный диапазон Государственного первичного эталона единицы спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения в диапазоне частот от 0,002 до 178,3 ГГц ГЭТ 21-2021 не позволяет проводить прецизионное тестирование и сертификацию разрабатываемых в настоящее время приборов и рабочих средств измерений высокой точности. Представлены результаты разработки и исследования экспериментального образца первичного эталона единицы спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения в диапазоне частот 220–300 ГГц. Экспериментальный образец включает в себя радиометр, генератор сигнала для канала гетеродина, низкотемпературный генератор шума, согласованную нагрузку и образцовый аттенюатор. Достигнуты следующие характеристики экспериментального образца: эквивалентная шумовая температура низкотемпературного генератора шума составляет 103–120 К в диапазоне частот 220–300 ГГц; чувствительность компаратора на базе радиометра 0,86 К. Характеристики экспериментального образца сопоставимы с характеристиками аналогичных приборов ведущего мирового производителя Radiometer Physics (Германия). Разработанный экспериментальный образец можно использовать для калибровки малошумящих приёмно-усилительных устройств терагерцевого диапазона, находящих всё более широкое применение в различных сферах науки и техники. Важным направлением применения разработанного экспериментального образца первичного эталона является также поверка радиометров, используемых в системах пассивной радиолокации. Перспективно также использование разработанного радиометра (220–300 ГГц) для решения научных задач, связанных с проведением радиоастрономических земных наблюдений в терагерцевом диапазоне, в частности в атмосферных окнах прозрачности на длинах волн 1,3 и 0,8 мм, где сосредоточено множество спектральных линий атомов и молекул.

Почечно-клеточный рак – наиболее распространённая форма рака почки (более 90 % всех онкологических патологий почки). На ранней стадии развития почечно-клеточный рак может протекать бессимптомно, что существенно затрудняет диагностику. Существующие методы диагностики почечно-клеточного рака не позволяют своевременно выявлять это заболевание на ранних стадиях, поэтому необходимо разработать эффективные и неинвазивные методы диагностики по обнаруживаемым в крови биологическим макромолекулам – биомаркерам рака данного типа. В качестве таких биологических макромолекул предложено использовать малые ядрышковые рибонуклеиновые кислоты. В настоящем исследовании спроектирован и изготовлен SiNW-биосенсор для прямого обнаружения в крови малой ядрышковой рибонуклеиновой кислоты SNORA77, ассоциированной с почечно-клеточным раком. Ключевым элементом разработанного SiNW-биосенсора является нанопроволочный чип на основе структур «кремний-на-изоляторе». Чип изготовлен по технологии, аналогичной Smart Cut, и содержит массив из кремниевых нанопроволок с проводимостью n-типа, на поверхность которых ковалентно иммобилизованы олигодезоксирибонуклеотидные зонды. Для обеспечения специфичности проводимого анализа нуклеотидная последовательность иммобилизованных олигодезоксирибонуклеотидных зондов комплементарна целевой детектируемой последовательности малой ядрышковой рибонуклеиновой кислоты SNORA77. Проанализированы очищенные буферные растворы с различными концентрациями синтетических олигодезоксирибонуклеотидных зондов, последовательность которых аналогична целевой детектируемой последовательности SNORA77. С помощью разработанного SiNW-биосенсора определён предел обнаружения SNORA77, составивший порядка 10–17 М. В образце, выделенном из плазмы крови пациента с подтверждённым диагнозом «почечно-клеточный рак», SiNW-биосенсор позволил выявить повышенный уровень SNORA77 по сравнению с контрольным образцом, выделенным из плазмы крови пациента с заболеванием неонкологической природы. Результаты исследования будут полезны для дальнейшей разработки систем ранней диагностики почечно-клеточного рака.

Рассмотрен такой инструмент проверки квалификации лаборатории, подтверждения требуемого или заявляемого лабораториями уровня точности измерений, как внешняя оценка качества в форме межлабораторных сличений. Выделены отраслевые особенности измерений в лабораторной медицине и проанализированы результаты многолетнего участия в системе внешней оценки качества. На основании проведённого анализа сделан вывод, что в отсутствие соответствующих эталонов, сертифицированных стандартных образцов и референтных методик для многих аналитов система внешней оценки качества медицинских лабораторий приобретает иное значение: становится незаменимым инструментом получения объективных данных о воспроизводимости/согласованности полученных в разных лабораториях результатов, выявления смещений результатов измерений лабораторий-участниц. В таких условиях внешняя оценка качества подтверждает квалификацию медицинской лаборатории в использовании конкретной аналитической методики в совокупности с референтными клиническими сведениями, соответствующими конкретной методике. Полученные результаты будут полезны специалистам, работающим на стыке метрологии и клинической лабораторной диагностики, а также производителям медицинских изделий для диагностики in vitro и провайдерам внешней оценки качества.

При измерении изотопного состава веществ и материалов с помощью квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой основным источником искажений измеренных изотопных отношений является мёртвое время детектора. В связи с этим важными этапами процесса разработки стандартных образцов изотопного состава являются определение значений мёртвого времени детектора и соответствующая коррекция полученных результатов. Рассмотрены три метода определения мёртвого времени, основанные на измерениях изотопных отношений ⁶³Cu/⁶⁵Cu, ⁶⁴Zn/⁶⁸Zn, ⁶⁶Zn/⁶⁸Zn, ⁶⁷Zn/⁶⁸Zn, ⁷⁰Zn/⁶8Zn в растворах меди и цинка с различными массовыми долями, а также метод сравнения импульсного и аналогового сигналов детектора квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой. Четырьмя методами исследовано влияние мёртвого времени детектора на результаты измерений изотопных отношений при определении изотопного состава растворов меди и цинка, обогащённых изотопами ⁶⁵Cu и ⁶⁸Zn соответственно. Рассчитаны неопределённости полученных значений мёртвого времени детектора указанными методами. В результате исследований выбраны наиболее точные методы определения мёртвого времени детектора – метод анализа угловых коэффициентов и метод подбора (методы 3, 4). При исследовании изотопно-обогащённого раствора ⁶⁵Cu мёртвое время детектора, полученное методом 3, составило (73±4) нс, а методом 4 – (76±4) нс. В случае изотопно-обогащённого раствора ⁶⁸Zn наиболее точным оказался метод 4, мёртвое время детектора составило (42±4) нс. Полученные результаты использованы при разработке и характеризации стандартных образцов изотопного состава растворов меди и цинка, обогащённых изотопами ⁶⁵Cu и ⁶⁸Zn

Рассмотрено влияние объёмной плотности зерна пшеницы (плотности зернового материала) на точность измерения его влажности сверхвысокочастотным методом. Сверхвысокочастотный метод измерения влажности основан на амплитудной диэлькометрии, при которой анализируется ослабление электромагнитной волны, проходящей через зерновой материал. Разработан однопараметрический влагомер, работающий на сверхвысоких частотах и предназначенный для применения на зерноперерабатывающем производстве. Приведена структурная схема влагомера и описаны принципы его функционирования. В конструкции прибора реализована математическая модель, учитывающая электрофизические свойства зернового материала и особенности его взаимодействия со сверхвысокочастотным излучением на фиксированной частоте. Изготовлен опытный образец прибора, который испытан в реальных производственных условиях. Исследован зерновой материал различной плотности: 87, 116 и 145 кг/м3. Экспериментально установлено, что с уменьшением плотности зернового материала увеличивается относительная погрешность измерений его влажности, особенно при влажности более 14 %: при влажности 18 % и плотности зерна 145 и 87 кг/м3 относительная погрешность измерения составила 9,8 и 44,7 % соответственно. Рассчитанные частные производные амплитуды измерительного сигнала влагомера по плотности значительно выше в условиях высокой влажности, что указывает на сильную зависимость показаний влагомера от плотности материала в этих условиях: при высокой влажности даже небольшое изменение плотности может существенно увеличить погрешность измерения. Представлены графики зависимостей амплитуды сигнала влагомера от влажности при различных значениях плотности и результаты регрессионного анализа, подтверждающие необходимость учёта плотности при градуировке прибора. Оценены абсолютные и относительные погрешности измерения влажности в зависимости от плотности зернового материала. По итогам исследований подтверждена эффективность и сверхвысокочастотного метода экспресс-оценки влажности, и разработанного влагомера при условии корректировки влияния плотности.